EP1926918B2 - Verfahren zum herstellen einer nagelverbindung sowie nagel hierfür - Google Patents
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- EP1926918B2 EP1926918B2 EP07702796.9A EP07702796A EP1926918B2 EP 1926918 B2 EP1926918 B2 EP 1926918B2 EP 07702796 A EP07702796 A EP 07702796A EP 1926918 B2 EP1926918 B2 EP 1926918B2
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing a nail connection between two components by means of a nail, which is driven by a setting tool at high speed in the components.
- This method also known by the term “bolting” is a forming joining method in which the nail (bolt) is driven at high speed into the components to be joined. It has the advantage that in general a one-sided accessibility of the joint area is sufficient and often pre-hole operations can be avoided. Bolt setting is already used in many areas such as steel construction, facade construction, metal construction, shipbuilding and construction as a reliable joining method.
- nails (setting bolts) which are driven by means of setting tools in the form of powder-operated cartridges in steel, construction iron, sheet metal and similar metallic materials.
- a nail usually consists of a nail head, nail shank and an ogival nail tip, wherein the shank can be provided with a surface profiling in the form of cross or Pfeilrandrierept, helically extending corrugations and the like.
- DE-GM 72 26 710 are known a method according to the preamble of claim 1 and a nail (bolt) with a flat head, a cylindrical shaft and an ogival nail tip, which serves for attaching sheets to a metal part of opposite the sheet of greater strength.
- the nail is injected through the metal sheet into the metal part.
- a recess for receiving the material which emerges during injection into the metal part from this material is provided in the head and / or in the shank of the nail.
- the recess is provided on the underside of the nail head, so that the edge of the sheet surrounding the prefabricated hole is bent up into the recess by the displaced material of the metal part.
- the metal part whose thickness is significantly larger than the length of the nail, completely encloses the nail tip.
- the method disclosed in this document is used primarily for attaching nameplates to machines. For fastening sheets to extruded profiles with a closed cross-section or to hydroformed components, such as required in vehicle construction, this joining method is not suitable.
- a suitable joining method for this purpose is, for example, the so-called direct screwing, also known as "flow-drilling screw (FDS)".
- FDS flow-drilling screw
- a screw is used which has a flat screw head, a threaded screw shaft and a screw tip. The screw is first placed at high speed and a corresponding contact force on the components to be joined. The friction heat occurring in this process plasticises the joining part material to be formed.
- the present invention has for its object to provide a method for establishing a connection between two components by means of a high-speed driven nail and a nail for this, which are used with only one-sided accessibility of the components, no precutting of the components require an extremely simple and especially short-term joining process without rotation of the nail allow and still lead to a high quality of connection.
- a nail which has a nail head with an annular groove provided on the head underside, a nail shank and a nail tip.
- the nail is driven by a setting tool with high speed in the joining area not vorgeloraum components substantially rotation freely axially so that the nail tip both components completely penetrating penetrates beyond the nail head facing away component and in the nail head side component a bead-shaped material throw is formed, which in the annular groove of the Nail head protrudes, and a crater-shaped material throw is formed in the nail head facing away from the component projecting in the direction away from the nail head.
- the volume of the annular groove substantially corresponds to the volume of the Materialillerschs the nail head side component, so that the annular groove is completely filled by the material Friediller.
- the nail shank which may be cylindrical or else convergent or divergent in the direction of the nail head, is preferably provided with a surface profiling which is filled with displaced material during the joining process.
- the components can be made of steel, aluminum, magnesium or plastic with or without fiber content.
- the nail is preferably made of steel, in particular tempered steel, but may also be made of aluminum, magnesium, brass, ceramic or fiber-reinforced plastic.
- the inventive method is characterized by great simplicity and extremely short joining time, since a pre-punching of the components is not required and the nail without rotational movement in a single Joining is driven at high speed in and through the two components.
- the connection between the two components produced in this way is characterized by a high quality of connection.
- a further advantage of the method according to the invention is that a two-sided accessibility of the joining region is not necessary if the component facing away from the nail head is sufficiently rigid.
- a nail in the form of a stapling pin which has a nail head with an annular groove provided on the head underside, a nail shank with a sawtooth profiling and a nail tip.
- the nail is driven axially by a setting tool at high speed in the joining area not vorgeloraum components axially so that the nail tip penetrates the nail head side component and penetrates the nail head facing away from the component and the head part side bead-shaped material throw is formed in the Annular groove of the nail head protrudes, as well as a crater-shaped material throw is formed in the nail head facing away from the component, which protrudes in the direction away from the nail head.
- the sawtooth profiling is directed so that each sawtooth tapers towards the nail tip.
- a relatively thin component can be "tacked" to a relatively thick component by means of a pin of the smallest dimensions, for example, to harden an existing between the two components adhesive layer. In this case, a complete or even partial penetration of the nail head facing away component is possible.
- the Fig. 1 shows a finished connection between a component 2 and a component 4 by means of a nail 6a.
- the component 2 is a thin-walled component in the form of a sheet
- the component 4 is a component of greater wall thickness, which is for example a profile component. It may be, for example, body parts for vehicle construction, although the invention is not limited thereto.
- the components 2, 4 may be made of steel, aluminum, magnesium or plastic with and without fiber content. They are not pre-punched before the joining process, as will be explained in more detail.
- the nail 6a consists of a nail head 8, a nail shaft 10a and a nail tip 12th
- the nail head 8 is a flat head with a flat upper surface 14, a cylindrical peripheral surface 16 and a flat bottom 20 in which an annular groove 22 is formed adjacent to the nail shank 10a.
- the annular groove 22 has a rounded circumferential surface 24, which merges tangentially into the nail shaft 12 on the one hand and tangentially into a conical surface 26 on the other hand.
- the nail shank 10a is in the embodiment of FIGS. 1 . 2 formed substantially cylindrical and provided in a certain area of its surface with a surface profiling 28a.
- the surface profiling 10a consists of a series of annular recesses 30 and elevations 32.
- the surface profiling 28a thus has a rounded wave-shaped profile in axial sections, which in the illustrated embodiment is sinusoidal.
- Radii of the recesses 30 and elevations 32 denoted R1 are therefore identical.
- the angle ⁇ between the flanks of the elevations 32 is in the order of 90 °.
- the surface profiling 28a has only a relatively small depth.
- the ratio of the depth T of the surface profiling 28a to the mean shaft diameter D is less than 0.1 and in particular less than 0.05.
- this ratio is on the order of 0.03.
- the nail tip 12 has an ogival surface 34 with a rounded end point 36.
- the ovality factor ie the ratio of the radius R2 to the shaft diameter D of the ogival surface 34, z. B. in the order of 2 to 6, preferably in the range of 3 to 5 and is in particular about 4.
- the nail 6a including head, shaft and tip is rotationally symmetrical, which is also true for the embodiments of FIGS. 4 to 7 and 11 true.
- the nail 6a is preferably made of steel. Depending on the application, however, it may also consist of aluminum, magnesium, brass, ceramic, or fiber-reinforced plastic. In the illustrated embodiment, the nail 6a is uncoated; However, it can also be coated.
- the nail 6a is integrally formed. In principle, however, it is also possible to produce the nail head on the one hand and the nail shank with the nail tip on the other hand of two parts of different hardness, which are then joined together.
- the components 2 and 4 are not pre-punched before the joining process.
- the nail 6a is driven by a setting tool at high speed from above into the two components 2 and 4.
- the setting speed depends on the application and is e.g. between 5 and 300 m / s, preferably 10 and 100 m / s.
- the bolt gun is, for example, a bolt gun, a powder-powered cartridge or the like.
- a piston 42 of such a setting device is indicated.
- the mouthpiece 44 of a restraint not shown otherwise, can be seen.
- the method according to the invention can be carried out with only one-sided accessibility of the joint.
- a counter-holder in the form of a sleeve 46 should be provided, on which the components 2, 4 are supported.
- the nail tip 12 penetrates into the component 2. In this case, it comes to the top of the component 2 to a material Aufauf 38, which increases in the penetration of the nail tip 12 in the component 2.
- the nail tip 12 then penetrates the lower component 4. On the one hand, this leads to a crater-shaped material charge 40, which becomes larger when penetrating the nail tip 12 in the driving direction.
- material flows into the surface profiling 28a, whereby the recesses of the surface profiling 28a are completely filled with material 4.
- this is material of the component 4.
- the joining process is completed when the nail head 8 rests with its underside on the top of the component 2.
- the nail head 8 is designed so that it has a certain flexibility in order to avoid gap formation under the nail head and to be able to compensate for slight misalignments of the nail.
- the setting punch 42 releases from the nail head 8
- the nail 6a springs back slightly.
- the components 2, 4 are clamped together, which benefits the quality of the connection.
- the volume of the annular groove 22 substantially corresponds to the volume of the material charge 38, so that the annular groove 38 is completely filled with the material of the component 2.
- a coating paint or cathodic dip coating
- the surface profiling 28a is provided only in that area of the nail shank 10a, which is located in the finished compound within the material of the component 4.
- a combination of high pull-out strength since the components 2, 4 on the one hand by force and form fit between the nail shank 10a and component 4 and on the other hand by positive engagement between the nail head 8 and component 2 are clamped together.
- the components 2 and 4 in the parting plane remain substantially undeformed, so that the flatness of the contact surfaces of the components 2 and 4 is maintained.
- the nail tip 12 projects substantially completely from the component 4.
- the rounded shape of the surface profiling 28a leads to comparatively low stresses in the connection between the components 2, 4 and the nail 6a, which contributes to the quality of the connection.
- the surface of the nail head 8 extends almost to the outer edge (peripheral surface 16) of the nail head 8. Between the flat top 14 and the peripheral surface 16 is provided only a relatively small rounding or chamfer 18, so that the piston 42nd engages the nail head 8 substantially over its entire width.
- the majority of the setting force is transmitted from the piston 42 to the central region of the nail head 8, so that in the central region of the nail head 8 correspondingly high voltages. If, at the end of the setting process, the nail head 8 rests on the upper side of the component 2, the majority of the setting force is transmitted from the piston 42 to the radially outer region of the nail head 8 and thence via the outer surface of the underside 20 to the components 2, 4, while the central area of the nail head 8 is depressurized.
- the hold-down 44 serves primarily to press the components 2 and 4 against each other before and during the setting process. In general, hold-down forces of less than 3 kN are sufficient for this purpose. Higher hold-down forces for influencing the material properties of the components 2 and 4 are generally not required.
- the counter-holder in the form of the sleeve 46 is, as already mentioned, only required if the rigidity of the component 4 is not sufficient.
- FIGS. 2 to 10 Various embodiments of the nail which can be used in the method according to the invention will now be described.
- the nail 6b the Fig. 4 differs from the nail6a the Fig. 2 merely in that between the nail tip 12 and provided with the surface profiling 28b part of the nail shank 10b, a cylindrical portion 48 is provided, whereby the nail shank 10b receives a correspondingly greater length.
- the longer nail shank 10b promotes the relaxation phase after penetration of the nail tip into the components, which reduces deformation of the components.
- the nail 6c the Fig. 5 differs from the nail 6a the Fig. 2 merely in that the nail blade 10a has a substantially conical shape, which converges from the nail tip 12 in the direction of the nail head 8.
- the surface profiling 28c is adapted to the conical shape of the nail shank 10c so that its depth remains substantially constant.
- the Fig. 6 is the nail shaft 10d with the surface profiling 28d also substantially conical, but so that it extends from the nail tip 12 in the direction of the nail head 8 diverging. As a result, a tension-favorable arrangement and a better back-tiling of the surface profiling 28d is achieved.
- the nail 6e the Fig. 7 has a substantially cylindrical nail shank 10e with a surface profiling 28e, which is formed sawtooth in longitudinal sections.
- a higher pull-out strength can be achieved, which, however, must be paid for by higher voltages in the connection.
- the nail 6f the FIGS. 8 to 10 is provided with a surface profiling 28f in the form of a thread.
- the thread in Fig. 9 is shown enlarged, is formed as Feinstgewinde whose slope is preferably less than 3.5 and, for example, in the order of 0.25.
- the remaining joining parameters in connection with the formation of the surface profiling 28f are chosen so that the nail 6f is driven during the joining process by the two components 2, 4, without the nail 6f executing a noticeable rotational movement.
- the threads of the surface profiling 28f are filled with plasticized material.
- a mating thread is formed to the components 2, 4.
- the nail 6f can therefore be released from the two components 2, 4 again after the setting process.
- the nail head 8f is provided with a drive feature 46, so that the nail 6f can be unscrewed from the components by means of a tool (not shown).
- the nail 6g the Fig. 11 essentially corresponds to the nail 6b of Fig. 4 that is, it has a nail head 8g, a nail shank 10g with a surface profiling 28g, a nail tip 12 and a non-profiled portion 50 disposed between the nail tip 12 and the surface of the nail shank 10g provided with the surface profiling 28g.
- the profile-free portion 50 has a tapered shape, ie, its diameter is smaller than the maximum diameter of the nail tip 12 and as the diameter of the provided with the surface profiling 28 g part of the nail shank.
- the diameter-reduced portion 50 is cylindrical; In principle, however, it could also have a different geometric shape.
- the method described for setting the nails can be used particularly advantageously in conjunction with gluing the components 2, 4.
- the components 2, 4 are additionally connected to each other at their abutting surfaces by an adhesive, whereby an extremely high-strength and uniform connection between the components 2, 4 is formed.
- any herkörnmliche adhesives can be used, as are known in the art in great variety.
- the inventive method allows a "continuous joining". More specifically, the movement of the setting device generated by the robot is carried out continuously from joint to joint, during which the nails are set according to the method described above.
- the components are expediently held in the correct position relative to each other during the continuous course of these joining operations by corresponding clamping devices.
- the only prerequisite is that the joints are accessible to the setting device. This is often the case when the joints are located on joining flanges.
- the continuous nailing is facilitated by the fact that precise setting of the joints is generally not required for setting the nails according to the described method.
- the positioning movement of the setting device carried out by the robot can take place without contact. Instead, however, provided on the setting tool mouthpiece (hold-down 44 in Fig. 1 ) abut the upper component 2.
- cycle times there is a significant reduction in cycle times, since no braking and acceleration operations of the robot are required and also shorter set times are achieved than in conventional mechanical joining methods.
- cycle times of the order of 1.5-3 s are possible with the method described, which represents a cycle time reduction of about 50%.
- a hold-down it is expedient to compress the components to be connected 2, 4 during the bolt setting by means of a hold-down, with hold-down forces in the order of up to 20 kN are conceivable.
- the hold-down usually forms part of the setting device. Continuous nailing, as described above, is then not possible when using a hold-down.
- a stationary tensioning mechanism (not shown) can be provided which presses the two components against each other with a corresponding force independently of the setting tool and at locations outside the joining areas.
- FIGS. 12 and 13 show a further embodiment of a nail 6h.
- the shank 10h with its sawtooth profile 28 h and the nail tip 12 of the nail 6h essentially correspond to those in FIG Fig. 7 shown nail.
- the sawtooth profile 22h is directed so that each tooth tapers in the direction of the nail tip 12.
- the nail head 8h is designed as a countersunk head.
- the nail head 8h of the nail 6h has on its underside an inclined portion 52, which merges into an annular groove 22h.
- the annular groove 22h which lies between the inclined portion 52 and a cylindrical portion of the shank 10h, has very small dimensions compared to the inclined portion 52.
- the inclined portion 52 is preferably slightly curved to provide a uniform force distribution between the Nail head 8h and the top of the component 2 to provide.
- the nail head 8h formed as a countersunk head has a significantly smaller thickness than the nail heads of the previous embodiments.
- the countersunk head of the nail 6h penetrates at least partially into the upper side of the component 2. More specifically, the nail head 8h deforms the upper member 2 to form a funnel-like groove 54 which largely receives the nail head 8h.
- the components 2, 4 in the joining area i. deformed below the countersunk head down, so that even in the contact area between the two components 2, 4 a funnel-shaped course is observed.
- connection can be designed so that the material Aufsch 38 opposite to the representation in Fig. 1 the annular groove 22 only partially fills.
- FIGS. 14, 15 show an embodiment of the invention, in which the nail 6i is designed as a "stapling pin". It serves to "pin” a relatively thin component 2 to a thicker component 4.
- This embodiment is used in particular in connection with an adhesive connection of the components 2, 4, between which an adhesive layer 62 is provided.
- the component 2 is attached to the component 4 by one or more fastening bolts so that the adhesive layer 62 can harden.
- the trained as a staple nail 6i has a nail head 8 with an annular groove 22 according to the embodiments of FIGS. 1 to 8 ,
- the shank 10i of the nail 6i is formed so that the nail head 8 is followed by a cylindrical section 56, which merges into a conically tapering shank section with a sawtooth profiling 28i.
- the sawtooth profiling 28i is directed so that each tooth tapers in the direction of the nail tip 12i, so that a radially extending shoulder surface is formed on the side of each tooth facing the nail head 8.
- the nail tip 12i adjoining the sawtooth profile 28i is composed of a frusto-conical portion 58 and a conical tip-shaped portion 60, wherein the cone angle of the portion 58 is less than the cone angle of the portion 60.
- the nail tip 12i is composed of the two sections 58, 60 different cone angle
- the nail tip can also be formed in other ways, for example as ogival nail tip according to the preceding embodiments.
- Important is the taper of the nail tip and the nail shank in the saw tooth profiling 28i.
- Fig. 14 are in turn, similar to in Fig. 1 , a hold-down 44 and an anvil in the form of a sleeve 46 indicated.
- the trained as a staple nail 6i has significantly smaller dimensions than the previous embodiments of the invention.
- the stapling pin has a length of the order of 6 mm. Due to the described formation of the nail shank 10i and the nail tip 12i has an imaginary envelope of the sawtooth profiling 28i in conjunction with the outline of the nail tip 12i a shape that is approximated in axial sections approximately to the shape of a parabola.
- the geometry of the nail shank 10i and the nail tip 12i and in particular the orientation of the surface profiling 28i ensure that the nail 6i can be driven into the components 2, 4 by the piston 42 (driving stem) of the setting device, which is otherwise not shown, with comparatively little driving force. while the pull-out resistance against the driving direction is comparatively high due to the shoulder-shaped surfaces between the teeth of the sawtooth profiling 28i.
- a significant advantage of the nail 6i designed as a stapling pin is that it practically does not affect the adhesive layer 62 during the "stapling operation". As has been shown in experiments, the thickness of the adhesive layer 62 before and after the stapling process is the same.
- connection of the nail head 12i is largely on the crater-shaped material throw 40 of the component 4.
- the nail 6i and the components 2, 4 are dimensioned so that the free end of the nail tip 12i protrudes only slightly or not at all from the component 4. It is also conceivable a solution in which the free end of the nail tip 12i just ends with the lower end of the Materialaufschthanes 40.
- a significant advantage of the method according to the invention is that the nail can be driven into the two components 2, 4 with a single stroke of the pin setting device, so that the nail tip rests on the nail head side component.
- the further driving in of the nail to the head unit can then take place with one or more further punches.
- These further impacts can either be carried out manually by means of a hammer, for example via a driving mandrel, or also by machine.
- this "multi-stage" bolt setting has no negative impact on the strength of the joint, which applies to both aluminum and steel components.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nagelverbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels, der von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben wird.
- Dieses Verfahren, auch unter dem Begriff "Bolzensetzen" bekannt, ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem der Nagel (Bolzen) mit hoher Geschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird. Es hat den Vorteil, dass im Allgemeinen eine einseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches ausreicht und häufig Vorlochoperationen vermieden werden können. Das Bolzensetzen findet bereits in vielen Bereichen wie Stahlbau, Fassadenbau, Metallbau, Schiffbau und Bauwirtschaft als verlässliches Fügeverfahren Anwendung.
- Aus
DE 1 575 152 ,1 940 447 ,1 500 770 sind beispielsweise Nägel (Setzbolzen) bekannt, die mittels Setzgeräten in Form von pulverkraftbetriebenen Kartuschen in Stahl, Baueisen, Blech und ähnliche metallische Werkstoffe eingetrieben werden. Ein solcher Nagel besteht üblicherweise aus einem Nagelkopf, Nagelschaft und einer ogivalen Nagelspitze, wobei der Schaft mit einer Oberflächenprofilierung in Form von Kreuz- oder Pfeilrandrierungen, wendelförmig verlaufenden Riffelungen und dergleichen versehen sein kann. - Aus
DE-GM 72 26 710 - Ein für diesen Anwendungszweck geeignetes Fügeverfahren ist beispielsweise das sogenannte Direktverschrauben, auch als "Flow Drilling Screw (FDS)" bezeichnet. Bei diesem Verfahren (vgl. z.B.
DE 102 48 427 A1 ,DE 39 22 684 A1 ,DE 39 09 725 C1 undDE 196 37 969C2 ) wird eine Schraube verwendet, die einen fiachen Schraubenkopf, einen mit Gewinde versehenen Schraubenschaft und eine Schraubenspitze aufweist. Die Schraube wird zunächst mit hoher Drehzahl und einer entsprechenden Anpresskraft auf die zu fügenden Bauteile aufgesetzt. Die hierbei auftretende Reibungswärme plastifiziert den umzuformenden Fügeteilwerkstoff. Hierbei bilden sich sowohl entgegen wie auch in Vorschubrichtung krater- bzw. wulstförmige Ansätze, in denen das Schraubengewinde ein Gegengewinde ausfurcht. Wenn die Schraube die Bauteile durchdrungen und der Schraubenkopf auf dem oberen Bauteil aufgesetzt hat, wird der Einschraubvorgang beendet. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines mit hoher Geschwindigkeit eingetriebenen Nagels sowie einen Nagel hierfür zu schaffen, welche bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile einsetzbarsind, kein Vorlochen der Bauteile erfordern, einen extrem einfachen und vor allem kurzzeitigen Fügevorgang ohne Drehbewegung des Nagels ermöglichen und dennoch zu einer hohen Verbindungsqualität führen.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 definiert.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Nagel verwendet, der einen Nagelkopf mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut, einen Nagelschaft und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird von einem Setzgerät mit hoherGeschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nägelspitze beide Bauteile vollständig durchdringend über das nagelkopfabgewandte Bauteil hinaus austritt und im nagelkopfseitigen Bauteil ein wulstförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in die Ringnut des Nagelkopfes vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht.
- Vorzugsweise entspricht das Volumen der Ringnut im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs des nagelkopfseitigen Bauteils, so dass die Ringnut vollständig von dem Materialaufwurf ausgefüllt wird.
- Der Nagelschaft, der zylindrisch oder auch in Richtung auf den Nagelkopf konvergierend oder divergierend ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise mit einer Oberflächenprofilierung versehen, die beim Fügevorgang mit verdrängtem Material gefüllt wird.
- Die Bauteile können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit oder ohne Faseranteil bestehen. Der Nagel wird vorzugsweise aus Stahl, insbesondere vergütetem Stahl hergestellt, kann jedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik oder faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch große Einfachheit und extrem geringe Fügezeit aus, da ein Vorlochen der Bauteile nicht erforderlich ist und der Nagel ohne Drehbewegung in einem einzigen Fügevorgang mit hoher Geschwindigkeit in und durch die beiden Bauteile getrieben wird. Wie durch Versuche erhärtet wurde, zeichnet sich die auf diese Weise hergestellte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen durch eine hohe Verbindungsqualität aus. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine zweiseitige Zugänglichkeit des Fügebereiches bei ausreichend steifer Ausführung des nagelkopfabgewandten Bauteils nicht erforderlich ist.
- Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Nagel in Form eines Heftbolzens verwendet, der einen Nagelkopf mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut, einen Nagelschaft mit einer Sägezahnprofilierung und eine Nagelspitze aufweist. Der Nagel wird von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die im Fügebereich nicht vorgelochten Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben, dass die Nagelspitze das nagelkopfseitige Bauteil durchdringt und in das nagelkopfabgewandte Bauteil eindringt und dass im nagelkopfseitigen Bauteil ein wulstförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in die Ringnut des Nagelkopfes vorsteht, sowie im nagelkopfabgewandten Bauteil ein kraterförmiger Materialaufwurf gebildet wird, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht. Vorzugsweise ist die Sägezahnprofilierung so gerichtet, dass sich jeder Sägezahn zur Nagelspitze hin verjüngt.
- Mit dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein relativ dünnes Bauteil an einem relativ dickem Bauteil mittels eines Heftbolzens kleinster Abmessungen "angeheftet" werden, um beispielsweise eine zwischen den beiden Bauteilen vorhanden Klebstoffschicht aushärten zu lassen. Hierbei ist eine vollständige oder auch nur teilweise Durchdringung des nagelkopfabgewandten Bauteils möglich.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
- Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung; -
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Nagel inFig. 1 ; -
Fig. 3 eine mit III bezeichnete Einzelheit derFig. 2 in vergrößertem Maßstab; -
Figuren 4 bis 8 derFig. 2 entsprechende Längsschnitte abgewandelter Ausführungsformen des Nagels gemäß der Erfindung; -
Fig. 9 eine mit IX bezeichnete Einzelheit derFig. 8 in vergrößertem Maßstab; -
Fig. 10 eine Draufsicht auf den Nagelkopf des Nagels inFig. 8 ; -
Fig. 11 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Nagels; -
Fig. 12 eine geschnittene Ansicht einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels einer anderen Ausführungsform; -
Fig. 13 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Nagels der Verbindung inFig. 12 ; -
Fig. 14 eine geschnittene Ansicht einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines Nagels mit Teilen der Herstellungsvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform; -
Fig. 15 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Nagels der Verbindung inFig. 14 . - Die
Fig. 1 zeigt eine fertige Verbindung zwischen einem Bauteil 2 und einem Bauteil 4 mittels eines Nagels 6a. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 2 ein dünnwandiges Bauteil in Form eines Bleches, und das Bauteil 4 ist ein Bauteil größerer Wandstärke, das beispielsweise ein Profilbauteil ist. Es kann sich beispielsweise um Karosserieteile für den Fahrzeugbau handeln, wenngleich die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. - Die Bauteile 2, 4 können aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff mit und ohne Faseranteil bestehen. Sie sind vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht, wie noch genauer erläutert wird.
- Wie den
Figuren 1 und2 zu entnehmen ist, besteht der Nagel 6a aus einem Nagelkopf 8, einem Nagelschaft 10a und einer Nagelspitze 12. - Der Nagelkopf 8 ist ein Flachkopf mit einer ebenen Oberseite 14, einer zylindrischen Umfangsfläche 16 und einer ebenen Unterseite 20, in der angrenzend am Nagelschaft 10a eine Ringnut22 gebildet ist. Die Ringnut 22 weist eine abgerundete umlaufende Fläche 24 auf, die einerseits tangential in den Nagelschaft 12 und andererseits tangential in eine konische Fläche 26 übergeht.
- Der Nagelschaft 10a ist im Ausführungsbeispiel der
Figuren 1 ,2 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und in einem bestimmten Bereich seiner Oberfläche mit einer Oberflächenprofilierung 28a versehen. Wie insbesondere ausFig. 3 hervorgeht, besteht die Oberflächenprofilierung 10a im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Reihe von ringförmigen Vertiefungen 30 und Erhöhungen 32. Die Oberflächenprofilierung 28a hat somit in Axialschnitten ein abgerundet wellenförmiges Profil, das im dargestellten Ausführungsbeispiel sinusförmig ausgebildet ist. Die inFig. 3 mit R1 bezeichneten Radien der Vertiefungen 30 und Erhöhungen 32 sind daher identisch. Der Winkel α zwischen den Flanken der Erhöhungen 32 liegt hierbei in der Größenordnung von 90°. - Wie dargestellt, hat die Oberflächenprofilierung 28a nur eine relativ geringe Tiefe. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Tiefe T der Oberflächenprofilierung 28a zum mittleren Schaftdurchmesser D kleiner als 0,1 und insbesondere kleiner als 0,05. Beispielsweise liegt dieses Verhältnis in der Größenordnung von 0,03.
- Die Nagelspitze 12 hat eine ogivale Oberfläche 34 mit einem abgerundeten Endpunkt 36. Der Ogivalltätsfaktor, d.h. das Verhältnis des Radius R2 zum Schaftdurchmesser D der ogivalen Oberfläche 34, liegt z. B. in der Größenordnung von 2 bis 6, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 und beträgt insbesondere ungefähr 4.
- Der Nagel 6a einschließlich Kopf, Schaft und Spitze ist rotationssymmetrisch ausgebildet, was auch für die Ausführungsbeispiele der
Figuren 4 bis 7 und11 zutrifft. - Der Nagel 6a besteht vorzugsweise aus Stahl. Je nach Anwendung kann erjedoch auch aus Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik, oder faserverstärktem Kunststoff bestehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nagel 6a unbeschichtet; er kann jedoch auch beschichtet sein.
- Wie dargestellt, ist der Nagel 6a einteilig ausgebildet. Grundsätzlich bestehtjedoch auch die Möglichkeit, den Nagelkopf einerseits und den Nagelschaft mit der Nagelspitze andererseits aus zwei Teilen unterschiedlicher Härte herzustellen, die anschließend miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise der Nagelschaft mit der Nagelspitze aus Metall und der Nagelkopf aus Aluminium hergestellt werden, die dann mittels Reibschweißen zusammengesetzt werden.
- Es wird nun das Verfahren zum Herstellen der in
Fig. 1 gezeigten Verbindung zwischen den Bauteilen 2 und 4 mittels des Nagels 6a beschrieben: - Wie bereits erwähnt, sind die Bauteile 2 und 4 vor dem Fügevorgang nicht vorgelocht. Wenn die beiden Bauteile 2 und 4 aneinander anliegen, wird der Nagel 6a von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit von oben in die beiden Bauteile 2 und 4 eingetrieben. Die Setzgeschwindigkeit hängt vom Anwendungsfall ab und liegt z.B. zwischen 5 und 300 m/s, vorzugsweise 10 und 100 m/s.
- Das Bolzensetzgerät ist beispielsweise ein Bolzenschussgerät, eine pulverkraftbetriebene Kartusche oder dergleichen. In
Fig. 1 ist ein Kolben 42 eines derartigen Setzgerätes angedeutet. Ferner ist das Mundstück 44 eines im Übrigen nicht dargestellten Niederhalters zu sehen. - Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Fügestelle durchführbar. Wenn jedoch das Bauteil 4 keine ausreichende Steifigkeit hat, sollte ein Gegenhalter in Form einer Hülse 46 vorgesehen werden, an der die Bauteile 2, 4 abgestützt werden.
- Beim Fügevorgang dringt zunächst die Nagelspitze 12 in das Bauteil 2 ein. Hierbei kommt es an der Oberseite des Bauteils 2 zu einem Materialaufwurf 38, der beim Eindringen der Nagelspitze 12 in das Bauteil 2 anwächst.
- Die Nagelspitze 12 durchdringt dann das untere Bauteil 4. Dies führt einerseits zu einem kraterförmigen Materialaufwurf 40, der beim Durchdringen der Nagelspitze 12 in Eintreibrichtung größer wird. Andererseits fließt Material in die Oberflächenprofilierung 28a, wodurch die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a vollständig mit Material 4 ausgefüllt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Material des Bauteils 4. Unter Umständen lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass sich die Vertiefungen der Oberflächenprofilierung 28a zumindest teilweise mit Material des Bauteils 2 füllen.
- Der Fügevorgang ist beendet, wenn der Nagelkopf 8 mit seiner Unterseite an der Oberseite des Bauteils 2 aufliegt. Der Nagelkopf 8 ist so ausgebildet, dass er eine gewisse Flexibilität hat, um Spaltbildung unter dem Nagelkopf zu vermeiden und leichte Schiefstellungen des Nagels ausgleichen zu können. Wenn sich der Setzstempel 42 vom Nagelkopf 8 löst, federt der Nagel 6a geringfügig zurück. Hierdurch werden die Bauteile 2, 4 miteinanderverspannt, was der Verbindungsqualität zugute kommt.
- Das Volumen der Ringnut 22 entspricht im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs 38, so dass die Ringnut 38 vollständig mit dem Werkstoff des Bauteils 2 ausgefüllt wird. Bei Rohbauanwendungen, bei dem das Bauteil 2 mit einer Beschichtung (Lack oder kathodische Tauchlackierung) versehen ist, kann es daher zu keiner Blasenbildung durch eingeschlossene Luft kommen.
- Wie dargestellt, ist die Oberflächenprofilierung 28a nur in demjenigen Bereich des Nagelschaftes 10a, vorgesehen, der sich bei der fertigen Verbindung innerhalb des Werkstoffes des Bauteils 4 befindet. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung hoher Auszugsfestigkeit, da die Bauteile 2, 4 einerseits durch Kraft- und Formschluss zwischen Nagelschaft 10a und Bauteil 4 und andererseits durch Formschluss zwischen Nagelkopf 8 und Bauteil 2 miteinander verspannt werden. Wie dargestellt, bleiben die Bauteile 2 und 4 in der Trennebene im Wesentlichen unverformt, so dass die Ebenheit der Anlageflächen der Bauteile 2 und 4 erhalten bleibt. Wie ferner in
Fig. 1 zu sehen ist, ragt die Nagelspitze 12 im Wesentlichen vollständig aus dem Bauteil 4 vor. - Wie ohne weiteres ersichtlich, ist für den Fügevorgang eine Zugänglichkeit nur von der Oberseite her erforderlich. Der Fügevorgang ist extrem einfach, da weder ein Vorlochen der Bauteile 2, 4 noch eine Drehbewegung des Nagels 6a erforderlich ist. Die Fügezeit ist äußerst gering. Außerdem sind nur vergleichsweise geringe Fügekräfte erforderlich. Dennoch ergibt sich eine hohe Verbindungsqualität mit entsprechend hoher Auszugsfestigkeit.
- Wie sich ferner gezeigt hat, führt die abgerundete Form der Oberflächenprofilierung 28a zu vergleichsweise geringen Spannungen in der Verbindung zwischen den Bauteilen 2, 4 und dem Nagel 6a, was zu der Verbindungsqualität entsprechend beiträgt.
- Wie in
Fig. 1 zu sehen ist, erstreckt sich die Oberfläche des Nagelkopfes 8 bis nahezu zum äußeren Rand (Umfangsfläche 16) des Nagelkopfes 8. Zwischen der eben ausgebildeten Oberseite 14 und der Umfangsfläche 16 ist nur eine relativ kleine Rundung oder Fase 18 vorgesehen, so dass der Kolben 42 am Nagelkopf 8 im Wesentlichen über dessen gesamte Breite angreift. - Wenn die Bolzenspitze 12 in die Bauteile 2, 4 eindringt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 übertragen, so dass im zentralen Bereich des Nagelkopfes 8 entsprechend hohe Spannungen entstehen. Wenn am Ende des Setzvorgangs der Nagelkopf 8 auf der Oberseite des Bauteils 2 aufsetzt, wird der größte Teil der Setzkraft vom Kolben 42 auf den radial äußeren Bereich des Nagelkopfes 8 und von da über die Außenfläche der Unterseite 20 auf die Bauteile 2, 4 übertragen, während der zentrale Bereich des Nagelkopfes 8 druckentlastet wird.
- Somit werden die vom Kolben 42 ausgeübten Setzkräfte nicht in den Nagelschaft 10a eingeleitet. Auf diese Weise wird vermieden, dass es zu einem "Durchschlag" beim Aufsetzen des Nagels 6a auf dem Bauteil 2 kommt, selbst wenn der Setzvorgang mit Energieüberschuss betrieben wurde. Bei einem so genannten "Durchschlag" dringt der Nagelkopf 8 in das Bauteil 2 ein, und außerdem entsteht ein Spalt zwischen der Oberflächenprofilierung 28a des Nagelschaftes 10a und dem Loch des Bauteils 4.
- Der Niederhalter 44 dient in erster Linie dazu, die Bauteile 2 und 4 vor und während des Setzvorganges in Anlage gegeneinander zu drücken. Hierzu reichen im Allgemeinen Niederhalterkräfte kleiner 3 kN aus. Höhere Niederhalterkräfte zum Beeinflussen der Materialeigenschaften der Bauteile 2 und 4 sind im Allgemeinen nicht erforderlich.
- Der Gegenhalter in Form der Hülse 46 ist, wie bereits erwähnt, nur dann erforderlich, wenn die Steifigkeit des Bauteils 4 nicht ausreichend ist.
- Anhand der
Figuren 2 bis 10 werden nun verschiedeneAusführungsformen des Nagels beschrieben, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden können. - Der Nagel 6b der
Fig. 4 unterscheidet sich von dem Nagel6a derFig. 2 lediglich dadurch, dass zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Oberflächenprofilierung 28b versehenen Teil des Nagelschaftes 10b ein zylindrischer Abschnitt 48 vorgesehen ist, wodurch der Nagelschaft 10b eine entsprechend größere Länge erhält. Der längere Nagelschaft 10b begünstigt die Entspannungsphase nach dem Eindringen der Nagelspitze in die Bauteile, wodurch Verformungen der Bauteile reduziert werden. - Der Nagel 6c der
Fig. 5 unterscheidet sich von dem Nagel 6a derFig. 2 lediglich dadurch, dass der Nageischaft 10a eine im Wesentlichen konische Form hat, die von der Nagelspitze 12 aus in Richtung auf den Nagelkopf 8 konvergiert. Die Oberflächenprofilierung 28c ist hierbei an die konische Form des Nagelschaftes 10c so angepasst, dass ihre Tiefe im Wesentlichen konstant bleibt. Durch diese "Taillierung" des Nagelschaftes 10c lässt sich eine höhere Auszugsfestigkeit der Verbindung erreichen. - Bei dem Nagel 6d der
Fig. 6 ist der Nagelschaft 10d mit der Oberflächen profilierung 28d ebenfalls im Wesentlichen konisch ausgebildet, jedoch so, dass er von der Nagelspitze 12 in Richtung auf den Nagelkopf 8 divergierend verläuft. Hierdurch wird eine spannungsgünstige Anordnung und ein besseres Hinterfliesen der Oberflächenprofilierung 28d erreicht. - Der Nagel 6e der
Fig. 7 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Nagelschaft 10e mit einer Oberflächenprofilierung 28e, die in Längsschnitten sägezahnformig ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich eine höhere Auszugsfestigkeit erzielen, die allerdings durch höhere Spannungen in der Verbindung erkauft werden muss. - Der Nagel 6f der
Figuren 8 bis 10 ist mit einer Oberflächenprofilierung 28f in Form eines Gewindes versehen. Das Gewinde, das inFig. 9 vergrößert dargestellt ist, ist als Feinstgewinde ausgebildet, dessen Steigung vorzugsweise kleiner als 3,5 ist und z.B. in der Größenordnung von 0,25 liegt. - Die übrigen Fügeparameter in Verbindung mit der Ausbildung der Oberflächenprofilierung 28f werden so gewählt, dass der Nagel 6f beim Fügevorgang durch die beiden Bauteile 2, 4 getrieben wird, ohne dass der Nagel 6f eine merkliche Drehbewegung ausführt. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen füllen sich hierbei die Gewindegänge der Oberflächenprofilierung 28f mit plastifiziertem Material. Hierbei wird zu den Bauteilen 2, 4 ein Gegengewinde gebildet. Der Nagel 6f kann daher nach dem Setzvorgang wieder aus den beiden Bauteilen 2, 4 gelöst werden. Zu diesem Zweck ist der Nagelkopf 8f mit einem Antriebsmerkmal 46 versehen, so dass der Nagel 6f mit Hilfe eines Werkzeuges (nicht gezeigt) aus den Bauteilen herausgeschraubt werden kann.
- Der Nagel 6g der
Fig. 11 entspricht im Wesentlichen dem Nagel 6b derFig. 4 , d.h. er besitzt einen Nagelkopf 8g, einen Nagelschaft 10g mit einer Oberflächenprofilierung 28g, eine Nagelspitze 12 sowie einen nicht profilierten Abschnitt 50, der zwischen der Nagelspitze 12 und dem mit der Oberflächenprofilierung 28g versehenen Teil des Nagelschaftes 10g angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel derFig. 4 hat jedoch der profilfreie Abschnitt 50 eine verjüngte Form, d.h. sein Durchmesser ist kleiner als der maximale Durchmesser der Nagelspitze 12 und als der Durchmesser des mit der Oberflächenprofilierung 28g versehenen Teils des Nagelschaftes. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der durchmesserverringerte Abschnitt 50 zylindrisch ausgebildet; grundsätzlich könnte er jedoch auch eine andere geometrische Form haben. - Aufgrund der Durchmesserverringerung des Abschnittes 50 entsteht beim Eindringen des Nagels 8g in die Bauteile 2, 4 eine Druckentlastung, sobald die Nagelspitze 12 vollständig in das Material der Bauteile eingedrungen ist. Diese Druckentlastung begünstigt eine geringere Verformung der Bauteile 2, 4 und dadurch höhere Verbindungsfertigkeiten.
- Das beschriebene Verfahren zum Setzen der Nägel lässt sich besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem Kleben der Bauteile 2, 4 einsetzen. Bei dieser Hybrid-Fügetechnik werden die Bauteile 2, 4 an ihren aneinander anliegenden Flächen durch einen Kleber zusätzlich miteinander verbunden, wodurch eine extrem hochfeste und gleichförmige Verbindung zwischen den Bauteilen 2, 4 entsteht. Hierbei können beliebige herkörnmliche Kleber verwendet werden, wie sie im Stand der Technik in großer Vielfalt bekannt sind.
- Ein wichtiger Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass eine nur sehr geringe Setzdauer zum Setzen eines Nagels erforderlich ist. Ferner kann das Verfahren, wie bereits ausführlich erläutert, ohne Vorlochen und bei nur einseitiger Zugänglichkeit der Bauteile durchgeführt werden. Diesevorteilhaften Eigenschaften machen das beschriebene Verfahren besonders geeignet für ein "kontinuierliches Nageln", wie im Folgenden erläutert wird:
- Häufig müssen zwei Bauteile an mehreren zueinander beabstandeten Fügestellen, beispielsweise entlang von Fügeflanschen, miteinander verbunden werden. Bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren wird dann das Setzgerät von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt. An jeder Fügestelle wird das Setzgerät zunächst abgebremst, der Fügevorgang durchgeführt und das Setzgerät wieder beschleunigt. Dies führt naturgemäß zu vergleichsweise langen Taktzeiten. So erfordern die Fügetechniken Stanznieten, Clinchen, Blindnieten und das Nageln mittels dem eingangs beschriebenen FDS-Verfahren Taktzeiten von 2-7s, 2-6,5s, 3-7,5s bzw. 3-8s.
- Im Gegensatz zu dem beschriebenen diskontinuierlichen Fügen der Bauteile an den Fügestellen erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein "kontinuierliches Fügen". Genauer gesagt, erfolgt die vom Roboter erzeugte Bewegung des Setzgerätes von Fügestelle zu Fügestelle kontinuierlich, wobei während dieser Zustellbewegung die Nägel nach dem oben beschriebenen Verfahren gesetzt werden. Die Bauteile werden zweckmäßigerweise beim kontinuierlichen Ablauf dieser Fügevorgänge von entsprechenden Spannvorrichtungen in der richtigen Position zueinander gehalten. Voraussetzung ist lediglich, dass die Fügestellen für das Setzgerät zugänglich sind. Dies ist häufig der Fall, wenn sich die Fügestellen an Fügeflanschen befinden.
- Das kontinuierliche Nageln wird dadurch erleichtert, dass zum Setzen der Nägel nach dem beschriebenen Verfahren eine präzise Ansteuerung der Fügestellen im allgemeinen nicht erforderlich ist. Die vom Roboter durchgeführte Zustellbewegung des Setzgerätes kann berührungslos erfolgen. Statt dessen kann jedoch ein am Setzgerät vorgesehenes Mundstück (Niederhalter 44 in
Fig. 1 ) am oberen Bauteil 2 anliegen. - In jedem Fall ergibt sich eine beträchtliche Reduzierung der Taktzeiten, da keine Brems- und Beschleunigungsvorgänge des Roboters erforderlich sind und zudem kürzere Setzzeiten als bei herkömmlichen mechanischen Fügeverfahren erzieltwerden. So sind mit dem beschriebenen Verfahren Taktzeiten in der Größenordnung von 1,5-3s möglich, was eine Taktzeitreduzierung von ca. 50% ausmacht.
- Wie bereits im Zusammenhang mit
Fig. 1 erläutert, ist es zweckmäßig, die zu verbindenden Bauteile 2, 4 während des Bolzensetzens mittels eines Niederhalters zusammenzudrücken, wobei Niederhalterkräfte in einer Größenordnung bis zu 20 kN denkbar sind. Der Niederhalter bildet üblicherweise Teil des Setzgerätes. Ein kontinuierliches Nageln, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist dann bei Verwendung eines Niederhalters nicht möglich. Statt eines Niederhalters kann jedoch auch ein stationärer Spannmechanismus (nicht gezeigt) vorgesehen werden, der unabhängig von dem Setzgerät und an Stellen außerhalb der Fügebereiche die beiden Bauteile mit einer entsprechenden Kraft gegeneinander drückt. In diesem Fall ist dann ein kontinuierliches Nageln möglich, bei dem das Setzgerät berührungsfrei verfahren wird, wobei nur ein Treibdom des Setzgerätes über den Nagel Kontakt zu den zu verbindenden Bauteilen hat und das Mundstück des Setzgerätes somit gewissermaßen "schwebend" über das nagelkopfseitige Bauteil bewegt wird. - Die
Figuren 12 und 13 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Nagels 6h. Der Schaft 10h mit seinem Sägezahnprofil 28 h und die Nagelspitze 12 des Nagels 6h entsprechen im Wesentlichen dem inFig. 7 gezeigten Nagel. Wie inFig. 7 ist auch hier das Sägezahnprofil 22h so gerichtet, dass sich jeder Zahn in Richtung auf die Nagelspitze 12 hin verjüngt. Unterschiedlich ist dagegen, dass der Nagelkopf 8h als Senkkopf ausgebildet ist. - Der Nagelkopf 8h des Nagels 6h hat an seiner Unterseite einen schräg verlaufenden Abschnitt 52, der in eine Ringnut 22h übergeht. Die Ringnut 22h, die zwischen dem schräg verlaufenden Abschnitt 52 und einem zylindrischen Abschnitt des Schaftes 10h liegt, hat sehr kleine Abmessungen im Vergleich zu dem schräg verlaufenden Abschnitt 52. Der schräg verlaufende Abschnitt 52 ist vorzugsweise geringfügig gewölbt, um für eine gleichmäßige Kraftverteilung zwischen dem Nagelkopf 8h und der Oberseite des Bauteils 2 zu sorgen. Im Übrigen hat der als Senkkopf ausgebildete Nagelkopf 8h eine deutlich geringere Dicke als die Nagelköpfe dervorhergehenden Ausführungsbeispiele.
- Aufgrund der beschriebenen Geometrie dringt der Senkkopf des Nagels 6h zumindest teilweise in die Oberseite des Bauteils 2 ein. Genauer gesagt, verformt der Nagelkopf 8h das obere Bauteil 2 so, dass eine trichterartige Mulde 54 gebildet wird, die den Nagelkopf 8h weitgehend aufnimmt. Außerdem werden die Bauteile 2, 4 im Fügebereich, d.h. unterhalb des Senkkopfes nach unten verformt, so dass auch im Anlagebereich zwischen den beiden Bauteilen 2, 4 ein trichterförmiger Verlauf zu beobachten ist.
- Insbesondere wenn das nagelkopfseitige Bauteil 2 aus Stahl besteht, kommt es an dessen Oberseite zu einem vergleichsweise geringfügigen Materialaufwurf 38h, der die Ringnut 22h nur teilweise ausfülft. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Verbindung so gestaltet werden kann, dass der Materialaufwurf 38 entgegen der Darstellung in
Fig. 1 die Ringnut 22 nur teilweise ausfüllt. - Die
Figuren 14, 15 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Nagel 6i als "Heftbolzen" ausgebildet ist. Er dient dazu, ein relativ dünnes Bauteil 2 an einem dickeren Bauteil 4 "anzuheften". Diese Ausführungsform wird insbesondere im Zusammenhang mit einer Klebstoffverbindung der Bauteile 2, 4 verwendet, zwischen denen eine Klebstoffschicht 62 vorgesehen wird. Hierbei wird das Bauteil 2 durch einen oder mehrere Heftbolzen an dem Bauteil 4 angeheftet, damit die Klebstoffschicht 62 aushärten kann. - Der als Heftbolzen ausgebildete Nagel 6i hat einen Nagelkopf 8 mit einer Ringnut 22 entsprechend den Ausführungsbeispielen der
Figuren 1 bis 8 . Der Schaft 10i des Nagels 6i ist so ausgebildet, dass sich an den Nagelkopf 8 ein zylindrischer Abschnitt 56 anschließt, der in einen sich konisch verjüngenden Schaftabschnitt mit einer Sägezahnprofilierung 28i übergeht. Die Sägezahnprofilierung 28i ist so gerichtet, dass sich jeder Zahn in Richtung auf die Nagelspitze 12i verjüngt, so dass an der dem Nagelkopf 8 zugewandten Seite jedes Zahnes eine radial verlaufende Schulterfläche gebildet wird. Die sich an die Sägezahnprofilierung 28i anschließende Nagelspitze 12i setzt sich aus einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 58 und einem kegelspitzenförmigen Abschnitt 60 zusammen, wobei der Kegelwinkel des Abschnittes 58 geringer als der Kegelwinkel des Abschnittes 60 ist. - Wenngleich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Nagelspitze 12i sich aus den beiden Abschnitten 58, 60 unterschiedlichen Kegelwinkels zusammensetzt, kann die Nagelspitze auch auf andere Weise, beispielsweise als ogivale Nagelspitze entsprechend den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgebildet werden. Wichtig ist die Konizität der Nagelspitze und des Nagelschaftes im Bereich der Sägezahnprofilierung 28i.
- In
Fig. 14 sind wiederum, ähnlich wie inFig. 1 , ein Niederhalter 44 und ein Gegenhalter in Form einer Hülse 46 angedeutet. - Der als Heftbolzen ausgebildete Nagel 6i hat deutlich kleinere Abmessungen als die vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung. So hat der Heftbolzen beispielsweise eine Länge in der Größenordnung von 6 mm. Aufgrund der geschilderten Ausbildung des Nagelschaftes 10i und der Nagelspitze 12i hat eine gedachte Umhüllende der Sägezahnprofilierung 28i in Verbindung mit dem Umriss der Nagelspitze 12i eine Form, die in Axialschnitten ungefähr an die Form einer Parabel angenähert ist.
- Die Geometrie des Nagelschaftes 10i und der Nagelspitze 12i und insbesondere die Ausrichtung der Oberflächenprofilierung 28i stellen sicher, dass der Nagel 6i von dem Kolben 42 (Treibdom) des im Übrigen nicht dargestellten Setzgerätes mit vergleichsweise geringer Eintreibkraft in die Bauteile 2, 4 eingetrieben werden kann, während der Auszugswiderstand entgegen der Eintreibrichtung aufgrund der schulterförmigen Flächenzwischen den Zähnen der Sägezahnprofilierung 28i vergleichsweise hoch ist. Ein wesentlicher Vorteil des als Heftbolzens ausgebildeten Nagels 6i besteht darin, dass er bei dem "Heftvorgang" die Klebstoffschicht 62 praktisch nicht beeinflusst. Wie sich bei Versuchen gezeigt hat, ist die Dicke der Klebstoffschicht 62 vor und nach dem Heftvorgang gleich.
- Bei der in
Fig. 14 dargestellten Verbindung steht der Nagelkopf 12i weitgehend über den kraterförmigen Materialaufwurf 40 des Bauteils 4 vor. Vorzugsweise werden jedoch der Nagel 6i und die Bauteile 2, 4 so dimensioniert, dass das freie Ende der Nagelspitze 12i nur geringfügig oder überhaupt nicht aus dem Bauteil 4 vorsteht. Denkbar ist auch eine Lösung, bei der das freie Ende der Nagelspitze 12i gerade mit dem unteren Ende des Materialaufwurfes 40 abschließt. - Wie bereits erwähnt, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass der Nagel mit einem einzigen Schlag des Bolzensetzgerätes in die beiden Bauteile 2, 4 eingetrieben werden kann, so dass der Nagelkopt am nagelkopfseitigen Bauteil aufliegt. Dies gilt für alle dargestellten Ausführungsformen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Setzvorgang so durchzuführen, dass der Nagel durch einen vom Setzgerät ausgeübten Schlag nicht ganz bis zur Kopfanlage in die Bauteile eingetrieben wird, sondern nur beispielsweise 80 bis 90 % des maximal möglichen Eindringweges. Das weitere Eintreiben des Nagels bis zur Kopfanlage kann dann miteinem odermehreren weiteren Schlägen erfolgen. Diese weiteren Schläge können entweder manuell mittels eines Hammers, beispielsweise übereinen Treibdorn, oder auch maschinell durchgeführt werden. Wie durch Versuche festgestellt wurde, hat dieses "mehrstufige" Bolzensetzen keinen negativen Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung, was sowohl für Bauteile aus Aluminium wie auch für Bauteile aus Stahl gilt.
Claims (31)
- Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) in einem Fügebereich mittels eines Nagels (6a-i), der einen Nagelkopf (8; 8f; 8g; 8h) mit einer an der Kopfunterseite vorgesehenen Ringnut (22; 22h), einen Nagelschaft (10a-i) und eine Nagelspitze (12; 12i) aufweist, bei welchem Verfahren der Nagel von einem Setzgerät mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile im Wesentlichen drehungsfrei axial so eingetrieben wird, dass die Nagelspitze das nagelkopfseitige Bauteil (2) durchdringt und in das im Fügebereich nicht vorgelochte nagelkopfabgewandte Bauteil (4) eindringt und hierbei im nagelkopfseitigen Bauteil (2) eine Materialverformung entsteht, die in die Ringnut des Nagelkopfes vorsteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Eintreibvorgang in der Weise erfolgt, dass in dem im Fügebereich nicht vorgelochten nagelkopfseitigen Bauteil (2) ein wulstförmiger Materialaufwurf (38, 38h) entsteht, der die in die Ringnut des Nagelkopfes vorstehende Materialverformung bildet, und
die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringend über das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) hinaus austritt und im nagelkopfabgewandten Bauteil (4) ein kraterförmiger Materialaufwurf (40) entsteht, der in nagelkopfabgewandter Richtung vorsteht. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Ringnut (22) im Wesentlichen dem Volumen des Materialaufwurfs (38) des nagelkopfseitigen Bauteils (2) entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (22) angrenzend am Nagelschaft (10a-f) eine abgerundete Fläche (24) hat, die in eine konusförmige Fläche (26) übergeht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a, b, e, f) im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10c) in Richtung auf den Nagelkopf (8) konvergierend ausgebildet ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10d) in Richtung auf den Nagelkopf (8) divergierend ausgebildet ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelschaft (10a-f) mit einer Oberflächenprofilierung (28a-f) versehen ist, die sich beim Herstellen der Verbindung mit verdrängtem Material füllt.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a-f) nur in einem Bereich des Nagelschaftes (10a-f) angeordnet ist, derin derfertigen Verbindung innerhalb des nagelkopfabgewandten Bauteils (4) liegt.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Tiefe (T) der Oberflächenprofilierung (28a-f) zu dem mittleren Durchmesser (D) des Nagelschaftes (10a-f) kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05 und insbesondere kleiner als 0,03 ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a-d) in Axialschnitten aus einem abgerundet wellenförmigen Profil besteht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28e) in Axialschnitten aus einem Sägezahnprofil besteht.
- Verfahren nach Anspruchs 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sägezahnprofil so gerichtet ist, dass sich jeder Sägezahn zur Nagelspitze hin verjüngt.
- Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllende des Sägezahnprofils und der Umriss der Nagelspitze zusammen in Axialschnitten einen ungefähr parabelförmigen Verlauf haben.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28a-e) von einer Reihe kreisförmiger Vertiefungen (30) und Erhöhungen (32) gebildet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung (28) von einem Gewinde gebildet wird, das beim axialen Eintreiben des Nagels in die beiden Bauteile (2, 4) ein entsprechendes Gegengewinde bildet.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des von der Oberflächenprofilierung (28f) gebildeten Gewindes kleiner als 0,35 ist und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,25 liegt.
- Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (8f) ein Antriebsmerkmal (46) für das Angreifen eines Werkzeuges hat, um den Nagel (6f) aus den beiden Bauteilen (2, 4) wieder lösen zu können.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenprofilierung (28d; 28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10d; 10g) und der Nagelspitze (12) ein profiltreier Abschnitt (48; 50) vorgesehen ist.
- Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem mit einer Oberflächenprofilierung (28g) versehenen Teil des Nagelschaftes (10g) und der Nagelspitze (12) ein durchmesserverringerter Abschnitt (50) vorgesehen ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (14) des Nagelkopfes (8) im Wesentlichen bis zu dessen äußerem Rand eben ist, um in der Endlage des Nagels die auf den Nagelkopf (8) wirkenden Setzkräfte weitgehend auf das nagelkopfseitige Bauteil (2) zu übertragen und dadurch einen Durchschlag des Nagels durch die beiden Bauteile zu vermeiden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nagelspitze (12) eine ogivale Form mit einem Ogivalitätsfaktor von 3 bis 5, insbesondere 4 hat.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6a-f) einteilig aus Stahl oder Aluminium oder Magnesium oder Messing oder Keramik oder einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft und Kopf des Nagels aus unterschiedlich harten Werkstoffen hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden.
- Verfahren nach einem dervorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nagelkopfseitige Bauteil (2) ein relativ dünnes Blech und das nagelkopfabgewandte Bauteil (4) ein Profilbauteil größerer Dicke ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 4) aus Stahl und/oder Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kunststoff bestehen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (2, 4) zusätzlich durch Kleben miteinander verbunden werden.
- Verfahren zum Herstellen mehrerer Verbindungen zwischen zwei Bauteilen an zueinander beabstandeten Fügestellen, bei dem ein Setzgerät zum Setzen von Nägeln von einem Roboter nacheinander zu den Fügestellen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Roboter hervorgerufene Bewegung des Setzgeräts zu den Fügestellen kontinuierlich erfolgt und bei dieser kontinuierlichen Bewegung die Nägel mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in die beiden Bauteile eingetrieben werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagelkopf (8h) als Senkkopf ausgebildet ist, dessen Unterseite einen schräg verlaufenden Abschnitt (52) und eine gegenüber diesem kleine Ringnut (22h) aufweist, so dass der Senkkopf zumindest teilweise in das Material des nagelkopfseitigen Bauteils (2) eindringt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2, 4) während des Setzvorganges durch einen am Setzgerät vorgesehenen Niederhalter (44) oder einen vom Setzgerät unabhängigen Spannmechanismus gegeneinander gedrückt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6, 6a-i) mit einem einzigen Schlag des Setzgerätes in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (6, 6a-i) mit einem Schlag des Setzgerätes weitgehend in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird und mit einem oder mehreren weiteren Schlägen, die manuell oder maschinell ausgeführt werden, vollständig in die beiden Bauteile eingetrieben wird.
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